en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-32-45
УДК: 535.551:531.781.2.087.92:620.1.08
Оптико-поляризационные датчики деформаций с высокой предельной чувствительностью для технической диагностики и дефектоскопии. Обзор
Бехер С.А., Федоринин В.Н., Абрамова Т.С., Сидоров В.Н., Ланис А.Л., Выплавень В.С., Гуляев М.А. Оптико-поляризационные датчики деформаций с высокой чувствительностью для технической диагностики и дефектоскопии. Обзор // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 7. С. 32–45. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-32-45
Bekher S.A., Fedorinin V.N., Abramova T.S., Sidorov V.I., Lanis A.L., Vyplaven’ V.S., Guliaev М.А. Optical polarization strain sensors with high sensitivity for technical diagnostics and flaw detection. A review [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 7. P. 32–45. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-32-45
Предмет исследования. Оптические датчики деформаций на основе фотоупругого эффекта с порогом чувствительности до 0,02 мкм/м для технической диагностики, неразрушающего контроля и мониторинга технического состояния. Цель работы. Определение предельных значений чувствительности и порога чувствительности оптико-поляризационных датчиков на основе фотоупругого эффекта и обоснование возможности их применения для решения практических задач контроля и мониторинга технического состояния конструкций, машин и механизмов. Методология. Обзор содержит анализ российских и зарубежных статей, трудов конференций и оригинальные экспериментальные результаты. Основные результаты. Приведен анализ работ по применению тензометрии для обнаружения дефектов материалов, определены возможности, ограничения и перспективы развития этих методов. Проанализированы оптические схемы и предельные характеристики датчиков деформаций с интерференционными и поляризационными эффектами. На основе экспериментальных результатов продемонстрированы их преимущества для решения задач технической диагностики. Практическая значимость. Приведены примеры практического применения поляризационно-оптических датчиков деформаций для мониторинга подъемно-транспортного оборудования в процессе эксплуатации, объектов железнодорожного транспорта, узлов трения и прессовых соединений ответственных элементов машиностроительных конструкций.
механические деформации, фотоупругость, оптико-поляризационные датчики деформаций, неразрушающий контроль, техническая диагностика
Благодарность:исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-20036 и финансовой поддержки Ямало-Ненецкого автономного округа.
Коды OCIS: 120.3180, 120.4290, 120.5410
Список источников:1. Pradanas Jonatan, Del Bosque Antonio, Velasco Javier, et al. Monitoring and predictive modelling of crack propagation in aeronautical structural aluminum using a strain gauge network // Smart Materials and Structures. 2025. V. 34. № 9. P. 095023. DOI: 10.1088/1361-665X/ae03fa
2. Gusev G.N., Shardakov I.N. Monitoring of stress-strain state in steel oil storage tanks. Features of strain gauges transducers application in severe environment // Proc. Structural Integrity. 2020. V. 28. P. 2328–2334. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.11.080
3. Hyun Gyu Hahn, Hyung Joon Ahn. A study on development of structural health monitoring system for steel beams using strain gauges // J. Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2012. V 16. № 1. P. 99–109. DOI: 10.11112/jksmi.2012.16.1.099
4. Noh C.T., Smith K., Shamo C.L., et al. Measurement of force and position using a cantilever beam and multiple strain gauges: Sensing principles and design considerations // Sensors. 2025. V. 25. P. 6561. DOI: 10.3390/s25216561
5. Nguyen H.Q., Nguyen A.T., Nguyen H.C., et al. An improved structural design for elastic beam of six-axis force // Torque sensor based on strain gauges / Intern. Conf. Intelligent Systems & Networks. Singapore: Springer, 2021. V. 243. P. 142–149. DOI: 10.1007/978-981-16-2094-2_18
6. Tahereh Shah Mansouri, Lubarsky Gennady, Dewar Finlay, et al. Machine learning-based structural health monitoring technique for crack detection and localisation using bluetooth strain gauge sensor network // J. Sens. Actuator Netw. 2024. V. 13. № 79. DOI: 10.3390/jsan13060079
7. Wang L., Dong S., Zhang H. An intelligent pipeline robot defect detection method combining virtual reality interaction and strain sensing // Intel Serv. Robotics. 2025. V. 18. P. 1339–1354. DOI: 10.1007/s11370-025-00648-4
8. Xue W., Pang X. Research, verification and uncertainty analysis of aircraft structural load/strain testing // Appl. Sci. 2025. V. 15. P. 10116. DOI: 10.3390/app151810116
9. Yoon J., Lee J., Kim G., et al. Deep neural network-based structural health monitoring technique for real-time crack detection and localization using strain gauge sensors // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 20204. DOI: 10.1038/s41598-022-24269-4
10. Güemes A., Fernández-López A. Structural health monitoring in composite structures by fiber-optic sensors // Sensors. 2018. V. 18. P. 1094. DOI: 10.3390/s18041094
11. Boukellif R., Ricoeur A., Oxe M. Parameter identification of crack-like notches in aluminum plates based on strain gauge data // Structural Health Monitoring. 2020. V. 20. P. 3227–3238. DOI: 10.1177/1475921720981845
12. Бехер С.А., Попков А.А., Шляхтенков С.П. и др. Оценка прочности прессовых соединений колец подшипников на основе закономерностей их деформирования при нагружении // Деформация и разрушение материалов. 2025. № 3. С. 28–37. DOI: 10.31044/1814-4632-2025-3-28-37
Bekher S.A., Popkov A.A., Shlyakhtenkov S.P., et al. Estimation of the strength of press-fit bearing ring joints using their deformation behavior during loading // Russ. Metall. 2025. P. 927–934. DOI: 10.1134/S0036029525701708
13. Бехер С.А., Попков А.А., Выплавень В.С. и др. Контроль прессовых соединений на основе закономерностей их деформирования при локальном тепловом воздействии // Дефектоскопия. 2024. № 1. С. 49–59. DOI: 10.31857/S0130308224010056
Bekher S.A., Popkov A.A., Vyplaven A.S., et al. Inspection of press joints based on the analysis of their deformation patterns under local thermal loading // Russian J. Nondestructive Testing. 2024. V. 60. № 1. P. 54–62. DOI: 10.1134/S1061830923601356
14. Pazur K., Bogusz P., Krasoń W. Utilizing high-speed 3D DIC for displacement and strain measurement of rotating components // Materials. 2025. V. 18. P. 3974. DOI: 10.3390/ma18173974
15. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / 2-е изд. Пер. с англ. Бреуса С.Н., Головашкина А.И., Шубина А.А. Под ред. Мотулевич Г.П. М.: Наука, 1973. 720 с.
Born M., Wolf E. Principles of optics. London, N.Y., Paris: Pergamon Press Publ., 1970. 808 p.
16.Ying Wang, Wang D.N., Chao Wang, et al. Compressible fiber optic micro-Fabry–Pérot cavity with ultra-high-pressure sensitivity // Opt. Exp. 2013. V. 21. Iss. 12. P. 14084–14089. DOI: 10.1364/OE.21.014084
17. Lee B.H., Kim Y.H. Interferometric fiber optic sensors // Sensors (Basel). 2012. V. 12(3). P. 2467–2486. DOI: 10.3390/s120302467
18. Yao Y., Zhao Z., Tang M. Advances in multicore fiber interferometric sensors // Sensors (Basel). 2023. V. 23(7). P. 3436. DOI: 10.3390/s23073436
19. Canning J. Fiber gratings and devices for sensors and lasers // Laser and Photonics Rev. 2008. V. 2(4). P. 275–289. DOI: 10.1002/lpor.200810010
20. Usman Masud, Abdul Razzaq Farooqi, Muhammad Kashif. Investigation of nonlinear optical effects with fibre Bragg gratings and signal-to-noise ratio in the evolution of highly sensitive system // European Phys. J. 2024. V. 78. P. 42. DOI: 10.1140/epjd/s10053-024-00835-5
21. Автоматизированные системы мониторинга конструкций. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://monsol.ru/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.09.25)
Automated systems for monitoring structures. [Electronic resource]. Access mode: https://monsol.ru/, свободный, in Russian (accessed 15.09.25)v
22. Инновационное предприятие «НЦВО-Фотоника». [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://forc-photonics.ru, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.09.25)
The innovative enterprise NCVO-Photonics. [Electronic resource]. Access mode: https://forc-photonics.ru, свободный, in Russian (accessed 15.09.25)
23. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник / Под. ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovsky A.M., et al. Physical quantities: A reference book [in Russian] / Ed. Grigoriev I.S., Meilikhov E.Z. Moscow: “Energoatomizdat” Publ., 1991. 1232 p.
24. Швец В.А., Марин Д.В., Якушев М.В. и др. Эллипсометрический in situ контроль процессов роста буферных слоев ZnTe и CdTe в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии кадмий-ртуть-теллура // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. № 6.DOI: 10.61011/FTP.2023.06.56476.5278
Shvets V.A, Marin D.V., Iakushev M.V., et al. Ellipsometric in situ control of growth processes of ZnTe and CdTe layers in the technology of molecular beam epitaxy of mercury-cadmium-telluride // Semiconductors. 2024. V. 58. P. 67–72. DOI: 10.1134/S1063782624010147
25. Паулиш А.Г., Загубисало П.С., Бараков В.Н. и др. Экспериментальное исследование пьезооптического преобразователя для высокочувствительных датчиков деформации // Автометрия. 2018. Т. 54. № 2. С. 78–84. DOI: 10.15372/AUT20180209
Paulish A.G., Zagubisalo P.S., Barakov V.N., et al. Experimental investigation of a piezo-optical transducer for highly sensitive strain gauges // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2018. V. 54. № 2. P. 175–180. DOI: 10.3103/S8756699018020097
26. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет / Пер. с анг. под ред. чл.-корр. АН СССР Ржанова А.В. и Свиташева К.К. М.: Мир, 1981. 583 с.
Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and polarized light. North-Holland Publ. Comp., 1977. 529 p.
27. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи // Измерительная техника. 1985. № 11. С. 45–48.
Slezinger I.I. Piezo-optical measuring transducers [in Russian] // Izmeritel'naya Tekhnika (Measuring Equipment). 1985. № 11. P. 45–48.
28. Федоринин В.Н. Эллипсометрический датчик // Патент РФ № RU2157513. 2000. Бюл. № 28.
Fedorinin V.N. Ellipsometric sensor // RF Patent № RU2157513. 2000. Bull. № 28.
29. Паулиш А.Г., Сидоров В.И., Федоринин В.Н. и др. Пьезооптический датчик деформации и метод контроля параметров движения подъемных механизмов // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 6. С. 530–538. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-6-530-538
Paulish A.G., Sidorov V.I., Fedorinin V.N., et al. Piezo-optical deformation sensor and method for monitoring movement parameters of lifting mechanisms [in Russian] // J. Instrument Eng. 2018. V. 61. № 6. P. 530–538. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-6-530-538
30. Шляхтенков С.П., Попков А.А. Выплавень В.С. и др. Диагностирование силовой рамы пресса с резьбовыми соединениями несущих элементов методом тензометрии // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26. № 10(304). С. 28–37. DOI: 10.14489/td.2023.10.pp.028-037
Shlyakhtenkov S.P., Popkov A.A., Vyplaven V.S., et al. Diagnostics of the press power frame with threaded connections of load-bearing elements by strain gauge method [in Russian] // Testing. Diagnostics. 2023. V. 26. № 10(304). P. 28–37. DOI: 10.14489/td.2023.10.pp.028-037
31. Добровольский П.П., Кремис И.И., Федоринин В.Н. и др. Сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик вибрации микрокриогенных машин роторного типа // Автометрия. 2021. № 2. С. 101–107. DOI: 10.15372/AUT20210211
Dobrovolsky P.P., Kremis I.I., Fedorinin V.N., et al. Comparative analysis of the frequency responses of vibration of rotary type microcryogenic machines // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2021. V. 57. № 2. P. 202–207. DOI: 10.3103/S8756699021020060
32. Федоринин В.Н., Бехер С.А., Выплавень В.С. и др. Оптическая тензометрия в задаче взаимодействия колесо–рельс // Автометрия. 2023. Т. 59. № 3. С. 33–42. DOI: 10.15372/AUT20230305
Fedorinin V. N., Bekher S. A., Vyplaven V. S., et al. optical tensometry in the wheel–rail interaction problem // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2023. V. 59. № 3. P. 313–320. DOI: 10.3103/s8756699023030068